离心压气机宽无叶扩压器旋转失速的诱发机理及能量损失机制研究

Centrifugal compressors are widely used in energy and power, aerospace industry, petrochemical engineering and other fields. The stability of centrifugal compressor is one of the most difficult and focus issues. The proposal aims to explore the induced mechanism and energy loss of rotating stall in the centrifugal compressor with wide vaneless diffuser, which is important for the safe operation of centrifugal compressor. Firstly, to explore the induced mechanism of rotating stall inception, the research studies the influences from three dimensional skew boundary layer, instability of core flow, the jet-wake structure and axial velocity distortion in diffuser inlet on the occurrence of stall inception, and examines the dominant flow characteristic in the instability process. Secondly, we will investigate two stall patterns that separately exist in the wide vaneless diffuser with different radius ratio based on experimental and numerical methods. The centrifugal compressor stability model will be established to demonstrate the existences of two stall patterns in the wide diffuser with different radius ratio. Finally, we will discuss the influence of diffuser width-to-radius ratio on the induced stall mechanism, energy losses and performance of centrifugal compressor to obtain the threshold width-to-radius that separates different stall mechanisms and provide the criterion that defines a narrow diffuser or wide diffuser.

离心压气机广泛用于能源动力、航空航天、石油化工等领域，其稳定性是叶轮机械气动热力学研究的难点和热点之一。本课题以离心压气机宽无叶扩压器为研究对象，探索失速先兆的诱发机理及能量损失机制，对离心压气机的稳定运行具有重要意义。首先，基于实验测试和非定常数值计算，研究长宽无叶扩压器内三维扭曲边界层、核心流动非稳定性、射流-尾迹结构和进口轴向畸变等对失速先兆诱发的影响机制，获得失稳过程中流场主导特征，探索宽无叶扩压器失速先兆的诱发机理；其次，建立离心压气机稳定性模型，采用理论方法证明宽无叶扩压器内存在两类失速模式，并建立其与失速诱发机制的内在关联；最后，研究扩压器宽度对失速诱发机理、能量损失机制及宏观气动性能的影响，获得不同失稳机制的宽度比阈值，并提出宽、窄无叶扩压器的判别准则。

离心压气机广泛用于能源动力、航空航天、石油化工等领域，其稳定性是叶轮机械气动热力学研究的难点和热点之一。本课题以离心压气机宽无叶扩压器为研究对象，探索失速先兆的诱发机理及能量损失机制，对离心压气机的稳定运行具有重要意义。首先，开发了基于OpenFOAM的离心压气机旋转失速数值模拟程序，研究了长宽无叶扩压器内三维扭曲边界层、核心流动非稳定性、射流-尾迹结构和端区分离等对失速先兆诱发的影响机制，获得了失稳过程中流场的主导特征，研究表明盖侧出口回流导致核心流畸变在诱发宽无叶扩压器失速先兆产生中占主要作用，同时描述了核心流畸变与三维扭曲边界层在失速先兆诱发过程中的演化规律；其次，研究了宽无叶扩压器不同半径比对应的两种失速模式，分别获得了不同失速工况下长、短无叶扩压器内失速团个数及传播速度的变化规律，射流尾迹、端区分离对短无叶扩压器失速团的表现形式具有重要影响。研究结果表明无叶扩压器半径比对失速先兆诱发机制没有影响，但核心流畸变特征明显不同。建立了离心压气机稳定性模型，采用理论方法证明了宽无叶扩压器内存在两类失速模式，并与模拟结果进行了对比验证；最后，研究了扩压器宽度对失速诱发机理、能量损失机制及宏观气动性能的影响，获得了窄无叶扩压器失速先兆诱发过程中三维扭曲边界层、射流尾迹及端区分离的时空演化规律，宽、窄扩压器失速先兆类型不同，同时发现宽无叶扩压器性能曲线在失速诱发点处连续，而对于窄无叶扩压器性能曲线在失速点处出现了不连续现象，通过对宽度比阈值附近无叶扩压器内部的失速先兆诱发过程进行熵产计算，表明宽窄无叶扩压器不同的失速诱发机制对应了不同的能量损失等级。从宏观性能曲线的角度提出了宽、窄无叶扩压器的判别准则。研究结果加深了对离心压气机宽无叶扩压器失稳机制及失速模式的规律性认识，具有重要的学术价值和理论意义，同时有助于形成先进的宽无叶扩压器失稳调控方法，对离心压气机的安全稳定运行具有重要的实用价值。